МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Филиал БНТУ «Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики БНТУ»

Кафедра «Метрология и Энергетика»

Паперный Л.Е., Алейникова М.В.

Область применения, выбор и расчет ОПН, установленных в сети 0,4-750кВ

Учебно-методическое пособие для слушателей курсов повышения квалификации энергетиков и студентов энергетического факультета БНТУ

Электронный учебный материал

Минск◊ БНТУ ◊ 2015

УДК

ББК

Д

Авторы:

Паперный Л.Е., Алейникова М.В.

Рецензент:

Романенков В.Е., кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры «Новые материалы и технологии» ИПК и ПК БНТУ

Учебно-методическое пособие предназначено для курсов повышения квалификации в ИПК и ПК БНТУ и может быть использовано специалистами предприятий ГПО «Белэнерго» и студентами энергетического факультета БНТУ.

Белорусский национальный технический университет, пр-т Независимости, 65, г. Минск, Республика Беларусь Тел. 2964732

E-mail: rectorat@ipk.by

Регистрационный номер №

© БНТУ, 2015

2

3

Введение

Внастоящее время, когда большинство вентильных разрядников (РВ), находящихся в эксплуатации в энергосистеме Республики Беларусь, выработало свой ресурс, а их выпуск практически прекращен, особенно актуальным является вопрос замены разрядников на ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Кроме того, большая потребность в ОПН имеется не только на действующих объектах, но и на строящихся.

Применяемые еще в настоящее время РВ с резисторами на основе карбида кремния вследствие недостаточной нелинейности материала, не позволяют обеспечить достаточное ограничение перенапряжений. Более глубокое их снижение требует уменьшения нелинейного последовательного сопротивления, что приводит к существенному увеличению сопровождающих токов. Искровые промежутки РВ не в состоянии погасить эти токи.

Значительное улучшение защитных характеристик разрядников достигается отказом от применения искровых промежутков и при переходе к резисторам с резко нелинейной вольтамперной характеристикой и достаточной пропускной способностью.

Таким требованиям отвечают варисторы из полупроводниковых материалов на базе окиси цинка.

ВРеспублики Беларусь отсутствуют руководящие документы по выбору, расчету, эксплуатации ОПН.

ВРоссии имеется стандарт на производство ОПН и РД 153-34.3-35.125- 99 Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений, в котором не разобран принцип работы, выбора и расчета ОПН.

Впредлагаемой работе обобщен опыт применения, расчета, выбора и эксплуатации ОПН в сетях с глухозаземленной, изолированной и заземленной через резистор нейтрали в энергосистемах Республики Беларусь и России.

Настоящая работа может быть использована инженерно-техническим персоналом энергосистемы и проектных институтов в своей производственной деятельности. Кроме того, работа может быть использована в качестве методической литературы при переподготовке персонала соответствующих специальностей.

4

1. Термины и определения

Ограничитель перенапряжений нелинейный ОПН. Аппарат, предна-

значенный для защиты изоляции электрооборудования от грозовых коммутационных перенапряжений, представляющий собой последовательно и/или параллельно соединенные металлоксидные варисторы без последовательных и параллельных искровых промежутков, заключенные в изоляционный корпус.

Металлоксидный варистор. Единичный комплектующий элемент ОПН, имеющий нелинейную вольтамперную характеристику.

Элемент ОПН. Полностью заключенная в корпус часть ОПН, которая может быть соединена последовательно и/или параллельно с другими элементами ОПН для выполнения конструкции ОПН на более высокое наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение и/или ток.

Экранное кольцо ОПН. Часть ОПН, предназначенная для изменения распределения напряженности электрического поля в определенной части пространства.

Противовзрывное устройство (устройство для сброса давления). Уст-

ройство, обеспечивающее снижение внутреннего давления в ограничителе при возникновении в нем внутреннего повреждения и предотвращающее взрывное разрушение корпуса ОПН или его разрушение с разлетом осколков за нормируемую зону.

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН Uпр.

Наибольшее действующее значение напряжения промышленной частоты, которое может быть приложено непрерывно к ОПН в течение всего срока его службы и не приводит к повреждению или термической неустойчивости ОПН при нормированных воздействиях.

Номинальное напряжение Uн. Действующее значение напряжения промышленной частоты, которое ограничитель может выдерживать в течение 10 св процессе рабочих испытаний. Номинальное напряжение должно быть не менее 1,25 наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения.

Импульс. Униполярная волна напряжения или тока, возрастающая без заметных колебаний с большой скоростью до максимального значения и уменьшающаяся, обычно с меньшей скоростью, до нуля с небольшими, если это будет иметь место, переходами в противоположную полярность.

Параметрами, определяющими импульсы напряжения или тока, являются полярность, максимальное значение (амплитуда), условная длительность фронта и условная длительность импульса.

Условное начало импульса. Точка на графике зависимости мгновенного

5

значения напряжения/тока от времени, определяемая пересечением оси времени при нулевом напряжении или токе и прямой, проходящей через две контрольные точки на фронте импульса. Для импульсов тока контрольные точки должны составлять 10 % и 90 % максимального (амплитудного) значения.

Условное время (длительность) фронта импульса Т1. Время, выражен-

ное в микросекундах и определяемое умножением на 1,25 времени в микросекундах, необходимого для увеличения максимального (амплитудного) значения импульса от 10 % до 90 %.

П р и м е ч а н и е - Если имеются колебания на фронте, опорные точки в 10 % и 90 % должны быть взяты на усредненной для колебаний кривой.

Условная длительность импульса Т2.. Время, выраженное в микросе-

кундах, между условным началом импульса и моментом, когда напряжение или ток уменьшаются до половины максимального значения.

Обозначение формы импульса: Комбинация двух чисел в микросекундах, первое из которых обозначает длительность фронта Т1, а второе - длительность импульса Т2. Эта комбинация записывается: Т1 /Т2 (знак «/» не имеет математического значения).

Импульс тока большой длительности (прямоугольный импульс).

Прямоугольный импульс, который быстро возрастает до максимального значения, остается практически постоянным в течение некоторого периода времени, а затем быстро падает до нуля. Параметрами, определяющими прямоугольный импульс, являются полярность, максимальное (амплитудное) значение и длительность.

Условная длительность прямоугольного импульса: Время, в течение которого мгновенное значение импульса больше 10 % его максимального (амплитудного) значения. Если есть небольшие колебания на фронте, то должна быть начерчена средняя кривая для определения момента достижения значения, равного 10 %.

Условная длительность максимального значения (амплитуды) пря-

моугольного импульса. Время, в течение которого мгновенное значение импульса больше 90 % его максимального (амплитудного) значения.

Разрядный ток ОПН. Импульс тока, который течет через ОПН. Крутой импульс тока ОПН: Импульс разрядного тока с условной

длительностью фронта 1 мкс (измеренные значения должны находиться в пределах от 0,9 до 1.1 мкс) и условной длительностью до полуспада не более

20мкс.

Грозовой импульс тока ОПН. Импульс разрядного тока 8/20

мксдлительности фронта импульса в диапазоне от 1 до 9 мкс и длительности импульса в диапазоне от 18 до 22 мкс.

6

Номинальный разрядный ток ОПН Iн. Максимальное (амплитудное)

значение грозового импульса тока 8/20 мкс, используемое для классификации ОПН.

Импульс большого тока ОПН: Максимальное (амплитудное) значение разрядного тока, имеющего форму импульса 4/10 мкс, который используется для проверки устойчивости ограничителя к прямым разрядам молнии.

Коммутационный импульс тока ОПН: Максимальное (амплитудное)

значение тока с условной длительностью фронта не менее 30, но не более 100 мкс и условной длительностью импульса, равной удвоенному времени условного фронта импульса.

Классификационный ток ОПН Iкл. Амплитудное значение (более высокое амплитудное значение из двух полярностей, если ток асимметричен) активной составляющей тока промышленной частоты, которое используется для определения классификационного напряжения ОПН и нормируется изготовителем.

Классификационное напряжение ОПН Uкл. Максимальное (ампли-

тудное) значение напряжения промышленной частоты, деленное на √2, которое должно быть приложено к ОПН для получения классификационного тока. Классификационное напряжение многоэлементного ОПН определяется как сумма классификационных напряжений отдельных элементов.

Пропускная способность ОПН Iпр. Нормируемое изготовителем максимальное значение прямоугольного импульса тока длительностью 2000 мкс (ток пропускной способности). ОПН должен выдержать 18 таких воздействий с принятой последовательностью их приложения без потери рабочих качеств.

Остающееся напряжение ОПН Uост: Максимальное значение напряжения на ограничителе при протекании через него импульсного тока с данной амплитудой и формой импульса.

Характеристика «напряжение-время». Выдерживаемое напряжение промышленной частоты в зависимости от времени его приложения к ОПН. Показывает максимальный промежуток времени, в течение которого к ОПН может быть приложено напряжение промышленной частоты, превышающее Uнр, не вызывая повреждения или термической неустойчивости.

Удельная энергия. Рассеиваемая ограничителем энергия, полученная им при приложении одного импульса тока пропускной способности, отнесенная к величине наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения.

Термическая неустойчивость ОПН. Состояние, при котором выделяю-

щаяся в ОПН мощность превышает его способность рассеивания тепла, что

7

приводит к росту температуры ограничителя, потере его тепловой стабильности и разрушению.

Завершенный разряд. Явление, связанное с повреждением изоляции при электрическом воздействии, которое характеризуется резким падением напряжения и прохождением тока.

Перекрытие. Завершенный разряд по поверхности твердого диэлектрика.

Квазистационарные (временные) перенапряжения. Uу кВ действую-

щее, промышленной или близкой к ней частоты, а также перенапряжения на верхних и нижних гармониках, не затухающие или слабо затухающие, возникающие как следствие коммутации элементов сети (например, замыкание на землю, обрывы провода) и ликвидирующиеся действием релейной защиты или эксплуатационного персонала. Возникновение, величина этих перенапряжений определяется сочетанием параметров сети.

2. Основные технические параметры ОПН

ОПН подразделяют на группы:

−по величине номинального разрядного тока (5000А, 10000А, 20000А);

−по пропускной способности на прямоугольном токе длительностью 2000 мкс с указанием удельной энергии этого импульса, отнесенной к наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению.

Классы по пропускной способности и удельные энергии приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Классы пропускной способности ОПН

Косновным параметрам ОПН относятся:

−наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uнр;

−номинальный рабочий ток Iн;

−остающееся напряжение при нормированных токах;

−пропускная способность;

−удельная энергия на 1 кВ наибольшего допустимого рабочего напряжения.

8

Структура условного обозначения

Остающиеся напряжения на ОПН указываются изготовителем в паспорте ОПН при импульсах токов 30/60 мкс, 8/20 мкс и 1/10 мкс с максимальными значениями импульсов, указанными в таблице 2.

Таблица 2 - Нормируемые максимальные значения импульсов токов через ОПН.

Длина пути утечки изоляции ОПН, работающего в условиях степени загрязнения I должна быть не ниже 1,8 см/кВ наибольшего рабочего напряжения сети, а при степени загрязнения II,III,IV – не ниже 2,0; 2,5; 3,1 см/кВ соответственно.

Изоляция корпуса должна выдерживать испытания напряжением грозового импульса, коммутационного импульса, одноминутного напряжения промышленной частоты.

9

При выборе ОПН должны быть учтены следующие характеристики:

1.Сети, в которой установлены ОПН:

-класс напряжения сети;

-максимальное напряжение сети;

-способ заземления нейтрали.

2.Характеристики РПН, от которых зависит его надежная работа в сети под рабочим напряжением и при воздействии квазистационарных перенапряжений:

-наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН;

-номинальное напряжение ОПН;

-характеристика «напряжение - время».

3.Характеристики ОПН, от которых зависит защищенность оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений:

-остающееся напряжение;

-грозовой импульс тока формы 8/20 мкс;

-коммутационный импульс тока формы 30/60 мкс;

-крутой импульс тока формы 1/10 мкс (используется при большой скорости нарастания протекающего в нем тока).

4.Характеристики ОПН, от которых зависит его надежная работа при ограничении грозовых и коммутационных перенапряжений:

-номинальный разрядный ток характеризует свойства ОПН при грозовых перенапряжениях;

-импульс большого тока с формой импульса 4/10 используется для оценки устойчивости ОПН к прямым ударам молнии;

-ток пропускной способности (импульс тока большей длительности) характеризует способность ОПН рассеивать энергию коммутационных перенапряжений;

-рассеиваемая (поглащенная) энергия (термическая неустойчивость

ОПН);

-удельная рассеиваемая (поглащаемая) энергия, определяющая класс пропускной способности.

3.Перенапряжения в электрических сетях

Внормальном режиме напряжение на изоляции оборудования не должно повышаться сверх наибольшего рабочегонапряжения.Всякое превышение мгновенным значением напряжения на изоляции амплитудынаибольшего рабочего напряжения принято называть перенапряжением. В большинстве случаев перенапряжения имеют кратковременный характер, так как они

10

возникают при быстро затухающих переходных процессах или в аварийных режимах, время существования которых ограничивается действием релейной защиты и системной автоматики. Различные виды перенапряжений имеют длительностьот единиц микросекунд до нескольких часов. Дажесамые кратковременные перенапряжения способны привести к пробою или перекрытию изоляции и связанной с этим необходимостьюпоследующего отключения поврежденного элемента сети, т.е. к перерывам в электроснабжении потребителей или снижением качества электроэнергии.

Взависимости от места возникновения можно выделить различные типы перенапряжений. Наибольшее практическое значение имеют перенапряжения на фазах относительно земли. Они воздействуют на изоляцию, отделяющую токоведущие части электрооборудования от земли и заземленных конструкций.

Взависимости от причин возникновения различают две группы перенапряжений внешние и внутренние. Внешние перенапряжения являются следствием воздействия внешних по отношению к рассматриваемой сети источников энергии (например, при ударах молнии). Внутренние перенапряжения развиваются за счет процессов, обусловленных функционированием электрической сети, имеют место при неблагоприятной конфигурации сети, а также вследствие работы коммутационных аппаратов или повреждений изоляции.

Внешние перенапряжения

Главным источником внешних перенапряжений в высоковольтных электрических сетях являются разряды молнии.

Наиболее опасные грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии в токоведущие элементы электрической сети (в фазные провода воздушных линий, в ошиновку распределительных устройств (РУ) станций и подстанций).

Удар молнии в заземленные элементы конструкции (в заземленные грозозащитные тросы, заземленные опоры воздушных линий, в молниеотводы, установленные в распределительном устройстве) приводит к возникновению на них кратковременных перенапряжений, которые могут стать причиной обратных перекрытий с заземленных элементов на токоведущие.

При ударе молнии вблизи от воздушной линии или распределительного устройства возникают индуктированные перенапряжения, обусловленные взаимной электромагнитной (индуктивной и емкостной) связью канала молнии с токоведущими и заземленными элементами сети. Они в большинстве случаев

11

имеют меньшую величину, чем перенапряжения от прямого удара молнии, но представляют опасность для изоляции оборудования сетей с номинальным напряжением до 110 кВ включительно.

Импульсы грозовых перенапряжений могут также воздействовать на изоляцию электроустановок, расположенных на значительном удалении от мест удара молнии, так как грозовые волны распространяются по линиям электропередач на значительные расстояния с малым затуханием.

Набегающие по воздушным линиям на распределительные устройства грозовые волны могут представлять опасность для электрооборудования станций и подстанций, которое имеет меньшие запасы электрической прочности по сравнению с линейной изоляцией.

Грозовые перенапряжения могут передаваться через трансформатор в его нейтраль и на вторичную сторону как магнитным (по коэффициенту трансформации), так и электростатическим путем (через межобмоточные емкости). Учитывая оба механизма, грозовые перенапряжения представляют опасность и для изоляции разземляемой нейтрали трансформатора, и для изоляции вторичной обмотки трансформатора, а также оборудования к ней присоединенного.

Внутренние перенапряжения

Внутренние перенапряжения в зависимости от длительности воздействия на изоляцию подразделяются на квазистационарные и коммутационные. Внутренние перенапряжения зависят от многих факторов, в частности - от способа заземления нейтрали сети.

Способ заземления нейтрали определяется различными соображениями, но, как правило, используется:

всетях 6-35 кВ

-изолированная нейтраль;

-нейтраль, заземленная через дугогасящий реактор (ДГР);

-нейтраль, заземленная через резистор;

-нейтраль, заземленная через параллельно включенные ДГР и резистор;

всетях 110-220 кВ

-эффективно заземленная нейтраль; в сетях 110-220 кВ и 330-750 кВ

-глухо заземленная нейтраль.

Сети 110-220 кВ с эффективно заземленной нейтралью - это сети, в которых выполнено частичное разземление нейтралей 110-220 кВ силовых трансформаторов, позволяющее ограничить токи однофазного короткого замыкания (наиболее частый вид короткого замыкания), а также в ряде случаев необходимое по условиям работы релейной защиты.

12

Квазистационарные перенапряжения

Квазистационарные перенапряжения возникают при временных с точки зрения эксплуатации режимах работы и неблагоприятных сочетаниях параметров сети и могут продолжаться до тех пор, пока не изменится схема или режим сети. Длительность таких перенапряжений (от секунд до десятков минут) ограничивается действием релейной защиты или оперативного персонала.

Квазистационарные перенапряжения условно делят на режимные, резонансные, феррорезонансные.

Режимные перенапряжения наблюдаются при неблагоприятных сочетаниях, действующих в сети электродвижущих сил. К ним можно отнести перенапряжения при несимметричном коротком замыкании (или просто замыкании) на землю, а также при перевозбуждении и разгоне генератора, которые возникают в случае внезапного сброса нагрузки.

Резонансные перенапряжения имеют место при приближении одной из собственных частот колебаний отдельных участков сети к частоте вынуждающей э.д. с (как правило, частота 50 Гц). Они развиваются в контурах, содержащих емкость и ненасыщенную индуктивность - например, при одностороннем питании линии электропередачи 110-750 кВ большой протяженности; в неполнофазных режимах воздушной линии 500-750 кВ с присоединенными к ней шунтирующими реакторами, в сетях 6-35 кВ при недокомпенсации индуктивностью ДГР емкости сети.

Феррорезонансные перенапряжения могут развиваться в контурах, содержащих емкость и индуктивность с насыщенным магнитопроводом. Такие перенапряжения наблюдаются как на промышленной частоте, так и на высших и низших гармониках.

Нередко феррорезонансные процессы имеют место при неполнофазном питании силовых трансформаторов, которое может быть вызвано: перегоранием плавких вставок высоковольтных предохранителей в одной или двух фазах, неполнофазными коммутациями разъединителей или выключателей, обрывами проводов (или шлейфов на опорах) воздушных линий. Этот вид перенапряжений представляет опасность для всего оборудования сети, а наибольшую опасность - для ОПН.

Возникновение феррорезонансных процессов возможно и в схемах с измерительными трансформаторами напряжения (ТН) электромагнитного типа. Этот вид перенапряжений представляет опасность, главным образом, только для электромагнитных трансформаторов напряжения. В качестве примера можно привести феррорезонанс на сборных шинах РУ 10-750 кВ с электромагнитными ТН и воздушными выключателями, шунтированными емкостными дели-

13

телями напряжения при включении холостых шин с ТН феррорезонансно неустойчивыми (НТМИ, НКФ, ЗНОМ, ЗНОЛП).

Коммутационные перенапряжения

Коммутационные перенапряжения возникают при всевозможных быстрых изменениях режимов работы сети. Они происходят вследствие работы коммутационных аппаратов (включение и отключение элементов сети), пробоях изоляции, а также при резком изменении параметров нелинейных элементов. Наибольшее значение среди них имеют перенапряжения при коммутациях воздушных линий электропередачи, кабелей, двигателей, индуктивных элементов сети (трансформаторов, реакторов), конденсаторных батарей.

Особенности внутренних перенапряжений в сетях 6-35 кВ

Существующие способы заземления нейтрали в сетях 6-35 кВ определили ряд особенностей внутренних перенапряжений в них.

1. Резонансные перенапряжения.

Возникновение этого вида перенапряжений возможно в сетях 6-35 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор, при несимметрии в сети, которая может быть вызвана:

-естественным отличием по фазам параметров воздушных и кабельных линий 6-35 кВ;

-неполнофазным включением одного из присоединений, например, в процессе коммутации из-за неодновременности замыкания контактов выключателя или отказа в действии одной или двух его фаз;

-обрывом проводов, перегоранием плавких вставок предохранителей. Резонансные перенапряжения принципиально могут развиваться лишь в

случае недокомпенсации индуктивностью ДГР емкости сети и, в случае своего возникновения, приводят к резонансному смещению нейтрали, т.е. охватывают всю сеть.

2. Феррорезонансные перенапряжения.

В сетях 6-35 кВ феррорезонансные перенапряжения могут быть вызваны неполнофазными включениями силовых трансформаторов. При этом в ряде случаев феррорезонансные перенапряжения возникают и на нейтрали источника, охватывая, таким образом, всю сеть.

Измерительные трансформаторы напряжения имеются практически на каждой секции 6-35 кВ. Для целей измерения и контроля изоляции первичные обмотки трансформаторов напряжения присоединяются между фазой и землей, поэтому параллельно емкости сети на землю оказывается включенной нели-

14

нейная индуктивность каждой фазы ТН. Это создает схему, в которой потенциально могут существовать феррорезонансные колебания, которые определяются параметрами схемы и числом трансформаторов напряжения на фазу. В сетях с изолированной нейтралью такие феррорезонансные колебания являются причиной перенапряжений, которые могут возникать при симметрии схемы за счет смещения нейтрали, вызванного насыщением стали трансформаторов напряжения в том или ином переходном процессе. Примерами таких переходных процессов могут служить отключение устойчивого однофазного замыкания на землю или перемежающееся неустойчивое замыкание на землю.

3. Дуговые перенапряжения.

Подавляющее большинство нарушений нормальной работы сетей с изолированной нейтралью связано с повреждением изоляции относительно земли, т.е. связано с однофазным замыканием на землю (033). Однофазные замыкания в сети, особенно при малых токах, редко переходят в устойчивые однофазные повреждения. Дуговой процесс замыкания, как правило, приобретает неустойчивый характер, при котором имеют место многократные гашения и зажигания заземляющей дуги. Как следствие, в сети возникают значительные перенапряжения, которые сами по себе или при их наложении на переходные процессы другого вида (например, коммутационные перенапряжения) могут быть опасными.

По причине возникновения дуговые перенапряжения являются внутренними перенапряжениями, однако однозначно отнести их к квазистационарным или коммутационным перенапряжениям не представляется возможным: по длительности существования эти перенапряжения относятся к квазистационарным, так как могут существовать до нескольких часов, а по причине возникновения - к коммутационным, так как вызваны изменением схемы сети. Поэтому дуговые перенапряжения традиционно выделяются отдельно.

Как правило, кратность дуговых перенапряжений не превышает величины 3,0-3,5 (по отношению к амплитуде фазного напряжения сети). Опасность дуговых перенапряжений определяется не столько их величиной, сколько длительностью их существования и тем, что они охватывают всю сеть.

Длительность существования 0ЗЗ нормируется правилами технической эксплуатации электроустановок (ПТЭ) в зависимости от вида электрических сетей и составляет:

- в контролируемых сетях, питаемых от турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, а также с присоединенными мощными электродвигателями, с токами однофазного замыкания на землю в генераторной цепи более 5 А - не более 0,5 сек; при токе однофазного замыкания на зем-

15